Che cos’è Evo Devo?

Definizione di EVO DEVO

NOVA: C’è stato tutto questo brusio su evo devo. Qual è l’idea chiave, e perché è così eccitante?

Cliff Tabin: La biologia evolutiva dello sviluppo, o “evo devo”, è un termine ampio che comprende molte cose. E persone diverse usano il termine in modo leggermente diverso, e anche ciò che lo rende interessante per loro differisce da scienziato a scienziato.

Per me, inizio dando un’occhiata al lato dello sviluppo. La rivoluzione nella biologia dello sviluppo, e la rivoluzione nelle scienze biologiche nel loro complesso, ci ha portato al punto in cui possiamo effettivamente iniziare a capire come i geni fanno formare un embrione nel modo in cui lo fanno, perché un arto si forma in primo luogo, e poi perché il braccio è diverso dalla gamba, perché il cuore che inizia come un tubo nel mezzo si ripiega per essere a sinistra e non a destra. Stiamo iniziando a capire questo tipo di domande davvero fondamentali, e questo è sorprendente di per sé.

Siamo anche arrivati al punto in cui possiamo capire non solo come si forma un arto, ma come il processo può essere alterato in quelli che sono effettivamente modi sottili come il fatto che l’arto prende la forma di un’ala di pipistrello rispetto a una mano umana rispetto a una pinna. E questo per me è enormemente eccitante.

Quindi, per me, l’aspetto fondamentale dell’evo devo è capire come lo sviluppo viene modificato nel corso del tempo evolutivo.

Una delle scoperte chiave dell’evo devo è quanto i nostri geni siano simili a quelli di tutti gli altri animali, giusto?

Sì. Una delle sorprese più sorprendenti nel periodo in cui sono stato nella scienza è stata la scoperta che i geni che sono coinvolti nel fare animali diversi come un moscerino della frutta e un essere umano sono fondamentalmente gli stessi geni. Quando si pensava a queste cose, diciamo 20 anni fa, si doveva supporre che i geni per fare un moscerino della frutta avrebbero incluso istruzioni per le ali, geni di cui non avevamo bisogno. E, al contrario, che avremmo avuto geni dedicati a fare un arto umano o un cuore umano che una mosca non avrebbe mai avuto. La scoperta sorprendente è stata che, con una prima approssimazione, gli stessi geni sono presenti in entrambi e vengono utilizzati in entrambi.

È il processo più bello vedere emergere l’organizzazione.

Ora, con il senno di poi, ci rendiamo conto, naturalmente, che le mosche e gli esseri umani sono entrambi animali. Abbiamo avuto un antenato comune. Forse era un vermetto insignificante, ma quel vermetto aveva già la serie di geni che rendevano la sua testa diversa dalla sua coda e il suo intestino diverso dal suo cuore. Affinché quel verme si evolvesse in una mosca, o si evolvesse infine in un uomo, quei geni sono stati utilizzati in modi diversi, in combinazioni diverse, con tempi diversi.

Fondamentalmente, il set di strumenti genetici, come lo chiamiamo noi, era già presente nell’antenato comune. E quell’insieme ancestrale di geni era abbastanza potente e versatile da fornire il materiale per generare le diverse forme di vita animale che ora vediamo sulla Terra. Questo era qualcosa che nessuno si aspettava, e ha reso lo studio dei vari organismi molto profondo. Significa che ciò che si impara dallo studio dello sviluppo di una mosca ha davvero implicazioni dirette per la comprensione del modo in cui siamo fatti noi stessi, perché per quanto una mosca sia diversa da un uomo e per quanto tempo fa ci siamo differenziati, stiamo usando fondamentalmente gli stessi geni per fare la stessa cosa: far emergere l’organizzazione in un embrione.

E tu e altri biologi non ve lo aspettavate

Io avrei scommesso qualsiasi cosa che non sarebbe stato così. Avrei pensato che i geni coinvolti nel fare una mosca sarebbero stati diversi da quelli che fanno un uomo. Avrei anche pensato che ci sarebbero voluti molti più geni fondamentali all’interno di quel toolkit per fare un umano. Avrei pensato che i geni che si usano per innescare la formazione di un cuore sarebbero stati totalmente diversi da quelli che si usano per fare un osso, che sarebbero stati totalmente diversi da quelli che si usano per rendere il lato anteriore di un embrione diverso dal lato posteriore di un embrione, e così via.

Si è scoperto che lo stesso gene o gli stessi geni sono usati più e più volte, solo in modi diversi e combinazioni con altri geni in una cella. E stiamo usando quello che considererei, sulla base della mia intuizione precedente, un numero ridicolmente piccolo di geni.

TUTTO SULL’EMBRIO

Il fatto che tutti noi condividiamo un insieme comune di geni è immediatamente evidente allo stadio embrionale, vero? Molto presto nel loro sviluppo, tutti gli animali si assomigliano molto.

Sì. Una delle cose di cui si è discusso fin dal 1800 è che se si guardano gli embrioni di diversi vertebrati – che si tratti di un pesce, una salamandra, una rana, un pollo, un topo o un uomo – nei primi stadi sembrano molto simili. Infatti, passano attraverso fasi in cui sono quasi indistinguibili. Un professionista serio che li guardi da vicino al microscopio può riconoscere le differenze quasi dall’inizio, naturalmente. Ma la somiglianza nelle prime fasi è davvero notevole.

Una delle ragioni per cui penso che sia così è che i primi aspetti di mettere le gambe al posto giusto, di rendere la testa diversa dal corpo, queste cose molto precoci e molto fondamentali devono avvenire su una certa scala dettata dalla gamma in cui le molecole chiave sono in grado di agire. Quindi, quando siamo tutti più o meno della stessa dimensione, che tu sia una focena o un uomo o una scimmia, lo stesso tipo di processi sta avvenendo. Poi dopo si elaborano le differenze. Quindi nelle fasi iniziali non è solo un profano che pensa che siano simili; in modi fondamentali sono davvero simili.

Uno dei grandi momenti nella storia dell’evoluzione è quando una pinna si è evoluta per la prima volta in un arto.

È sorprendente guardare un time-lapse di un embrione in sviluppo, di qualsiasi animale. Devi avere un lavoro divertente.

Una delle grandi cose del mio campo è proprio l’opportunità di guardare gli embrioni svilupparsi. È il processo più bello vedere l’organizzazione emergere, sia che lo si veda in fotografia time-lapse o che lo si guardi al microscopio nel tempo. È incredibilmente bello guardarlo accadere, e l’intero processo è così fondamentalmente bello che l’estetica combinata con la logica è semplicemente travolgente.

CONFIGURAZIONE DEL BECCO

Perché ha deciso di studiare la formazione del becco nei fringuelli di Darwin?

Beh, con l’avanzare della tecnologia e la crescita delle nostre conoscenze sullo sviluppo, siamo arrivati al punto in cui è diventato realistico pensare di cercare di capire come le istruzioni di sviluppo siano state modificate per dare varietà in natura. Non volevamo guardare animali molto diversi tra loro, perché ci sarebbero state molte differenze e sarebbe stato troppo difficile capire cosa stesse realmente accadendo. Abbiamo voluto guardare animali che sono molto vicini e che idealmente hanno solo una struttura che differisce in modo molto importante tra le specie.

I fringuelli di Darwin alle Galapagos sono un ottimo esempio di questo. Sono uccelli che sono essenzialmente lo stesso organismo, ma hanno becchi di forma molto diversa. Questa diversità nella forma del becco ha permesso loro di avere stili di vita molto diversi. Il becco è una struttura fondamentalmente importante – ha una grande importanza ecologica – e queste diverse specie di fringuelli erano un’unica specie di uccelli un milione di anni fa. Quindi questo è uno dei motivi per cui i fringuelli di Darwin ci attraevano molto.

E cosa avete trovato?

Prima di fare la nostra ricerca era possibile che fossero coinvolti geni completamente diversi nel fare becchi di forme diverse. Non pensavamo che fosse probabile, in base a ciò che sapevamo su come i geni controllano lo sviluppo, ma era possibile. Quello che abbiamo trovato ha rafforzato il quadro generale emergente: che gli stessi geni sono coinvolti nella creazione di un becco appuntito e tagliente o di un becco grande e largo che spacca le noci. Ciò che fa la differenza è quanto si accende un gene, quando lo si accende, quando lo si spegne – le sottili differenze di regolazione. I geni specifici sono essenziali per fare qualsiasi becco, ma è il tweaking – la quantità del gene, la tempistica del gene, la durata del gene – che sta effettivamente facendo il trucco.

UN BRACCIO E UNA GAMBA

Lo stesso tipo di messa a punto avviene nella formazione degli arti?

Sì, e a questo punto, in modo molto fondamentale, comprendiamo gran parte della regolazione molecolare, i geni che dicono agli arti come formarsi. Capiamo come una prima massa di cellule riceve informazioni che dicono a un gruppo di diventare una struttura e a un gruppo di diventare un’altra. Capiamo come il tessuto inizia a formare un osso e non un tendine, per esempio. In un modo molto fondamentale, ora conosciamo i geni che sono responsabili di rendere il tuo arto così com’è.

Che fanno un braccio invece di una gamba, per esempio?

Giusto. Come ho detto prima, la struttura fondamentale di un arto che vediamo nel nostro braccio, diciamo, è ricapitolata con qualche variazione in diversi animali per servire come un’ala o una pinna. Ma vedrete anche variazioni nella struttura che un arto assume all’interno del vostro corpo. Un braccio e una gamba sono strutture fondamentalmente simili – per esempio, quando ci si sposta dalla spalla o dall’anca verso le dita delle mani o dei piedi, si ha un singolo osso nell’arto superiore, seguito da due ossa nell’arto inferiore, poi molte ossa che formano le cinque dita. L’arto anteriore e quello posteriore sono costruiti sullo stesso piano di base.

Non credo sia necessario guardare i programmi sulla natura per essere colpiti dalla diversità della vita sulla Terra.

Ora sappiamo che ci sono geni specifici che sono attivati nell’arto posteriore, nella gamba, che non sono attivati nell’arto anteriore, il braccio. Quando sono attivati, il germoglio dell’arto precoce ha più il carattere di una gamba. Ci sono altri geni che sono presenti solo nell’arto anteriore o nel braccio nelle prime fasi del germoglio dell’arto. Quindi, fondamentalmente, la differenza tra un braccio e una gamba può essere ricondotta a differenze nei geni all’interno del germoglio iniziale dell’arto. Quei geni specifici per l’arto anteriore o posteriore influenzano l’insieme generale di istruzioni per l’arto stabilite da altri geni, in modo che il risultato sia un braccio o una gamba.

Diamo i nostri arti per scontati, ma l’evoluzione dell’arto dalla pinna di un pesce in passato è stato un enorme balzo in avanti, vero?

Uno dei grandi momenti nella storia dell’evoluzione è quando una pinna si è evoluta in un arto. Questo è stato qualcosa che si è verificato in un pesce che viveva in acque poco profonde e stava imparando a manipolarsi nelle secche. Ciò che fece fu sviluppare una struttura che poteva ruotare e che aveva segmenti che potevano muoversi indipendentemente l’uno dall’altro e che terminavano in dita, cosa che diede a questo pesce la grande capacità di muoversi nel fango. Si è rivelata una caratteristica di base che aveva un enorme potenziale, un’enorme flessibilità.

Perché quello che vediamo è che il piano di base di quell’arto – un osso nell’arto superiore, due ossa nell’arto inferiore, polsi che si torcono, una serie di cinque o meno dita – è stato elaborato per darvi tutto, dall’ala del pipistrello per librarsi, alla pinna di una focena per nuotare e navigare negli oceani, a una mano per afferrare o suonare il piano, all’arto di una talpa per scavare. Le enormi differenze nell’uso degli arti hanno permesso agli animali successivi – anfibi, rettili, uccelli, mammiferi – di svilupparsi in una straordinaria gamma di stili di vita.

UN’EVOLUZIONE RIVOLUZIONE

Il campo dell’evo devo sta davvero esplodendo, vero?

È semplicemente incredibile. Il ritmo veloce, penso che più di ogni altra cosa, è quello che non mi sarei aspettato. Penso che avrei previsto che alla fine saremmo arrivati al punto in cui siamo in termini di comprensione; non avrei mai pensato che sarebbe successo così rapidamente come è successo. Ci sono state rivoluzioni tecnologiche – la rivoluzione del sequenziamento che ci ha permesso di sequenziare interi genomi, la tecnologia per gestire enormi quantità di informazioni allo stesso tempo e ordinare le cose. È incredibile quello che si può fare e quanto sia più facile e veloce ora rispetto a quando ho iniziato. Non avrei mai pensato che sarebbe successo così velocemente.

Come riesci a stare al passo?

È molto difficile stare al passo quando la conoscenza si muove così velocemente. Penso che quello che fai è tenerti al passo con le cose che ti interessano di più. Quando ho iniziato a fare biologia, ho letto tutto quello che c’era nell’intero campo della biologia molecolare perché, rispetto ad oggi, si faceva relativamente poco. Potevi leggere due o tre riviste, e fondamentalmente eri in grado di stare al passo con la biologia cellulare e la fisiologia e l’immunologia e la biologia dello sviluppo e la biologia del cancro. Ma ora non puoi nemmeno stare al passo con la biologia dello sviluppo o la biologia evolutiva. Scegli i tuoi campi, scegli i tuoi argomenti, scegli le tue domande, e fondamentalmente ti tieni al passo con ciò che ti entusiasma di più.

E la diversità della vita rivelata attraverso l’evo devo è ciò che davvero ti emoziona.

Non credo che tu abbia bisogno di guardare spettacoli sulla natura per essere sbalordito dalla diversità della vita sulla Terra. Si può semplicemente fare una passeggiata a casa. Si vedono uccelli, scoiattoli, cani. Torni a casa e abbracci tuo figlio. Queste sono cose che dai per scontate. Ma se fai un passo indietro e guardi quanto è incredibile l’uccello in volo, lo scoiattolo così perfettamente adattato che corre su e giù per l’albero, e così via, è proprio un mondo incredibile. E ciò che è incredibile in questo momento storico, da un punto di vista scientifico, è che saremo in grado di comprendere questa diversità, e questo non fa che aumentare l’eccitazione. Non lo demistifica. Lo rende ancora più magico.